JP2013164901A - 結露防止用ヒーター - Google Patents
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Abstract
【解決手段】筐体内に配置される発熱回路21と温度検出回路22とで結露防止用ヒーターHを構成する。発熱回路21は、発熱用トランジスタTr1を備え、電流検出抵抗Rsに流れる電流による電圧降下と、電流設定手段24で設定された電圧とを比較して、前記トランジスタTr1を定電流で駆動する。一方、温度検出回路22は、温度設定手段27と温度検出手段28を備え、温度設定手段27で温度を設定すると、設定した温度の出力と、温度検出手段28が検出した温度とを比較して、検出出力が上回ると、電流設定手段24の出力を禁止して前記トランジスタTr1の発熱量をゼロにする。逆に、設定出力より検出出力が下回っていると、電流設定手段24の出力を許可して前記トランジスタTr1を決められた発熱量で発熱させる。このように、温度設定が容易にできるため、筐体が変わっても簡単に対応できる。したがって、ヒーター部品として共通化できる。
【選択図】図2
Description
これは、日中、筐体は、暖められて内部の空気の圧力が周囲よりも高くなる。逆に、夜間は、冷却されて内部の圧力は周囲の圧力よりも低くなる。すると、配線用の孔などを通して周囲の冷えた空気が筐体内に侵入し、これが原因となって内部に結露を生じる。このような結露は腐食や絶縁を低下させて機器の寿命を縮める。
これに対するため、例えば、ニクロム線などを用いたヒーター装置を筐体内に配置するという方法が行われている。
この方法は、図6に示すように、ニクロム線などを用いたシーズヒーターRを、バイメタルなどの温度スイッチS1を介して電源Eと接続したもので、前記ヒーターRの加熱によって内部の圧力を高め、外からの冷気の侵入を阻止して結露を防止するというものである。
また、その際、ヒーターRの発熱量が筐体に応じたものでないと、温度が上昇し過ぎる場合や、温度が十分に上昇できない場合がある。そのような場合には、ヒーターRの取り替えが必要になる。
このとき、ヒーターRを取り替えて、ヒーターRの大きさが変ると、それに合わせて電気部品の変更や取り付け位置などを変更しなければならない。
したがって、筐体ごとに電気部品の変更や取り付け位置などを変更したものを準備しなければならず、部品を共通化して多くの筐体で使用できるようにするのには難しい問題がある。
すなわち、このインバータ装置のスイッチング回路(三相ブリッジ構成のスイッチングトランジスタ6個中の1個を示す)は、図7に示すように、インバータ装置のスイッチングトランジスタ1のベース抵抗2とパルス制御器3との間に、ベース抵抗2と直列に第2のベース抵抗4を設け、その第2のベース抵抗4と並列に切り替えスイッチ5を設けたものである。
そして、インバータの運転中は、各相のスイッチング回路は、前記切り替えスイッチ5をONにして、パルス制御器3により所定の時間差をもって制御する。この場合、トランジスタ1のベース電流Ibは、コレクタ電流Icによるコレクタ・エミッタ間電圧Vceが充分に小となるように調整されている。
一方、インバータの運転停止時は、切り替えスイッチ5をOFFにして、ベース回路に第2のベース抵抗4を付加し、ベース抵抗を大幅に増大させてトランジスタ1のベース電流を減少させる。そして、前記トランジスタ1を活性(非飽和)領域で動作させる。また、前記パルス制御器3のON/OFF比を適宜調整する。
このように、第2のベース抵抗4の追加と、パルス制御器3の出力パルスのON/OFF比を変更することにより、トランジスタ1の損失(発熱)を調整し、装置の内部温度を周囲温度よりも若干高めに保って結露を防止する。そのため、トランジスタ1の損失を調整すれば、筐体が変わっても対応できる。
また、上記の方法では、ベース電流の減少量とパルス制御器のON/OFF比を設定することで、筐体内を結露しない温度に保持する。
そのため、ベース電流の減少量(ベース抵抗)とパルス制御器のON/OFF比の2つのパラメータを協調しつつ調整して、温度を設定しなければならない。したがって、この温度設定の操作は煩雑で難しく、しかも、この操作は筐体が異なるごとに行わねばならない問題がある。
その結果、上記の2つのパラメータを調整する方法では、温度設定の操作が煩雑で難しく、部品として共通化し難い問題がある。
このとき、発熱回路は、電流検出抵抗に流れる電流による電圧降下と、電流設定手段で設定された電圧とを比較して、例えば、その差が無くなるように発熱用トランジスタを制御する。こうすることで、前記トランジスタを定電流駆動する。このようにトランジスタを定電流で駆動することにより、トランジスタの発熱量を正確に調整することができる。そのため、筐体に合わせて発熱量を調整することが容易である。また、過大電流による損傷を防止することもできる。
一方、温度検出回路は、設定手段で温度を設定すると、設定した温度の出力と、温度検出手段が検出した温度とを比較する。そして検出出力が上回ると、発熱回路から発熱用トランジスタへの電流設定手段の出力を禁止して設定出力をゼロにする。すると、発熱回路は、電流設定手段との差がゼロになるように、発熱用トランジスタを制御して前記トランジスタを流れる電流をゼロにするので、トランジスタの発熱量はゼロになる。
逆に、温度検出回路は、比較した際、設定出力より検出出力が下回っていると、電流設定手段の出力を許可する。すると、発熱回路は、電流設定手段の設定出力との差がゼロになるように発熱用トランジスタを流れる電流を制御する。そのため、前記トランジスタには設定電流が流れて、トランジスタは決められた発熱量で発熱する。
このように、温度検出回路で温度を設定すると、設定した温度と検出した温度を比較して筐体内の温度を結露が起きない温度に保持することができる。そのため、筐体が変わっても温度設定が容易であるため、ヒーター部品として共通化できる。
図1に示すように、この形態の結露防止用ヒーターHは、放熱板10と回路基板11とで構成されている。
放熱板10は、アルミ製の金属板で構成したもので、発熱用トランジスタTr1をネジにより装着する(その際、絶縁が必要な場合は、マイカ板やシリコングリースなどを介して取り付ける)。
この放熱板10には、貫通孔14が設けてあって、放熱板10へのトランジスタTr1の固定と、トランジスタTr1を固定した放熱板10の筐体内への固定に使用する。ここでは、貫通孔14は、図1(a)、(b)のように、放熱板10の中央部分の先端と、その右後方(図1(b)に向かって)に設けてある。
中央部分の貫通孔14は、トランジスタTr1のパッケージ形状(TO−220)に合わせて設けたもので、トランジスタTr1の形状が異なれば、放熱板10の形状や貫通孔14の位置も変える。
なお、この形態では、放熱板10にアルミの金属板を用いたが、これに限定されるものではない。銅など熱伝導の良いものであればどのようなものでも使用できる。
また、回路基板11は、IC温度センサU2、電源26、可変抵抗器U4、オペアンプU3、定電圧回路25、発熱用トランジスタTr1などの回路素子を搭載する。その際、図1(a)、(b)のように、垂直に取り付けられた回路基板11の上方にIC温度センサU2を取り付ける。
前記IC温度センサU2は、DIP形状をしたもので、回路基板11の上方に配置して放熱板10から距離を置くようにしてある。こうすることで、筐体内の正確な雰囲気温度を検出できるようにしてある。なお、図1(a)、(b)の符号20は、電源26への入力ピンで、交流電源を接続するためのものである。
なお、この形態では、回路基板11は、放熱板10に対し垂直に起立させて取り付けたが、垂直取り付けに限定されるものではない。放熱板に対してIC温度センサU2が距離を置ければよいので、筐体の内部構造に応じて適宜決められるものである。
発熱回路21は、発熱用トランジスタTr1、電流検出抵抗Rs、電流設定手段24及びオペアンプU3で構成されている。
電流検出抵抗Rsは、発熱用トランジスタTr1であるNchMOS−FETのソース端子と接地間に設けられている。また、電流検出抵抗RsのMOS−FETとの接続点は、オペアンプU3の負入力と接続するようになっている。この電流検出抵抗Rsの抵抗値は、発熱用トランジスタTr1へ流す電流の値に応じて適宜決められる。
電流設定手段24は、可変抵抗器U4と入力抵抗R1とで構成され、可変抵抗器U4は摺動出力が入力抵抗R1を介してオペアンプの正入力と接続するようになっている。
ここで、入力抵抗R1は、可変抵抗器U4の抵抗値よりも大きく設定することで、可変抵抗器U4の調節範囲を規制して、可変抵抗器U4の短絡事故に対処するためのものである。
このためオペアンプU3は、負入力に入力する電圧Vs(=Is/Rs)と正入力に入力する設定電圧Vrとの差に基づいて発熱用トランジスタTr1を作動する。
すなわち、負入力の入力電圧Vsと正入力の入力電圧Vrとの差が無くなるように、発熱用トランジスタTr1を作動する。そのため、発熱用トランジスタTr1の出力電流は、Is=Vr/Rsとなり、電流設定手段24で設定した定電流で作動させることができる。
このように、発熱用トランジスタTr1を定電流で作動することにより、正確な発熱量を得ることができるため、発熱量の調整が容易である。また、発熱用トランジスタTr1を定電流で作動することにより、短絡などの事故の際にも発熱用トランジスタTr1に過大な電流が流れないようにできるので、破損を防止できる。
このとき、電力損失は、(E−Vs)×Is(Watt)となり、この損失による発熱で筐体内を加熱するが、発熱用トランジスタTr1は、放熱板10と放熱板10を取り付ける筐体(具体的には、後述の筐体内のシャーシ)により、ジャンクション温度より低い温度になるよう保たれる。
比較手段29は、例えば、正入力に温度検出手段28を接続し、比較手段29の負入力には温度設定手段27を接続して、温度設定手段27と温度検出手段28の出力を比較する。そして、比較した結果、検出手段出力が設定手段出力を上回ると比較手段出力は負となる。逆に、検出手段出力が設定手段出力を下回ると比較手段出力は正となる。この比較手段出力は、チャタリングを防止するため、ヒステリシスを有するようになっている。
この直列回路は、ツェナーダイオードU1のアノードをグランド側として電源26と並列に接続する。そして、前記電源26と接続した直列回路のツェナーダイオードU1のカソード端子と電流制限抵抗Rzの一端とを接続した接続点を電流設定手段24とIC温度センサU2とに接続し、両者に安定化した基準電圧を供給する。
電源26は、ブリッジ回路と平滑コンデンサで構成される整流回路を搭載しており、ブリッジ回路入力は回路基板11の入力ピン20に接続されている。
このように、放熱板10を筐体内の金属部分に取り付け、筐体を放熱器として使用することにより、発熱用トランジスタTr1の許容損失を大きくできるので、形状の異なる多くの機器で使用できるのである。
また、発熱用トランジスタTr1を有しているため、電動アクチュエータの駆動回路に機械式リレーやスイッチを使用したものについても設置できる。
さらに、放熱効率の良い半導体素子をヒーターに代えて使用することにより、小型化が図れるため、筐体が小型のものにも組み込むことができる。
こののち、回路が作動してIC温度センサU2の温度設定と電流設定手段24の電流設定が設定できるようになる。
IC温度センサU2の温度設定は、夜間の周囲温度より若干高めの結露を起こさない温度を設定する。このように、IC温度センサU2を設定するだけで温度の設定ができる。
次に、電流設定手段24の電流設定で、発熱用トランジスタTr1へ流す電流を設定する。これは、筐体のスペースや筐体内の構造あるいはそれらの熱容量などによって、筐体内で結露が発生しない温度を保つのに最適なトランジスタTr1の発熱量が異なるためである。
すなわち、筐体に対して発熱用トランジスタTr1の発熱量が大きすぎると、目標とする温度に対する行き過ぎ量が大きくなる。
逆に、筐体に対して発熱量が小さすぎると、目標とする温度に達することができないため、結露が発生するからである。
このように、発熱用トランジスタTr1へ流す電流を調整し、筐体内のスペースや構造あるいはそれらの熱容量などに合わせて発熱量を設定できるため、形状の異なる多くの機器で使用できる。このため、独立したヒーター部品として共通化できる。
そして、温度検出回路22は、検出温度が設定温度からΔtだけ高くなると、出力レベルが「H」となり、スイッチ手段Tr2は、ON(ローインピーダンス)となる。そのため、電流設定手段24の設定電圧は禁止され、オペアンプU3の正入力は接地されてゼロとなり、発熱用トランジスタTr1に電流が流れなくなって発熱しなくなり、周囲の温度が低下する。
次に、温度検出回路22は、検出温度が設定温度からΔt度低下すると、出力レベルが「L」となり、スイッチ手段Tr2はOFF(ハイインピーダンス)となる。そのため、電流設定手段24の設定電圧は許可されて、オペアンプU3の正入力に入力し、入力した電圧に応じた電流が発熱用トランジスタTr1に流れて発熱し、周囲の温度を上昇させる。
このような動作を繰り返すことにより、筐体内を結露が発生しない一定の温度以上に保つのである。
また、このとき、検出温度が設定温度からΔt度上昇、あるいはΔt度低下してから、出力レベルを反転させるというヒステリシスを設けたことにより、設定温度付近で前記スイッチ手段Tr2が不要なON/OFFを繰り返すチャタリングを防止して誤動作が起きないようにする。
また、発熱回路21を定電流回路としたことにより、正確な発熱量が得られるため、筐体のスペースや筐体内の構造あるいはそれらの熱容量に合わせて発熱量を調整することができる。
したがって、筐体の異なる多様な機器で使用することができるため、独立したヒーター部品として共通化できる。
この発熱回路21は、発熱用トランジスタTr1、電流検出抵抗Rs、電流設定手段24で構成されている。
発熱用トランジスタTr1は、ここでは、NPNトランジスタを使用している。そのため、電流検出抵抗Rsは、発熱用トランジスタTr1のエミッタ端子とグラント間に設けている。
電流設定手段24は、複数のダイオード直列回路LD1〜nと、接点切り替えスイッチSW2とで構成されている。
ダイオード直列回路LD1〜nは、1、2・・・・n個のダイオードを順方向に直列に接続したもので、その接続個数は、設定電流に応じて接続したものである。この個数を変えた直列回路は、図5のように、カソード側端子をグランドと接続して並列に接続してある。
接点切り替えスイッチSW2は、発熱用トランジスタTr1のベース端子とダイオード直列回路LD1〜nのアノード側端子間に設けて、前記トランジスタTr1のべース端子と複数の直列回路LD1〜nのアノード側端子の接点を切り換えて接続する。
Is≒0.6×n/Rs(n:ダイオードの個数)
となるため、ダイオード直列回路LD1〜nを切り換えることで電流を設定できるというものである。
因みに、温度検出回路22のスイッチ手段Tr2出力は、例えば、発熱用トランジスタTr1のベース端子に接続することで、実施形態と同様に発熱回路21を制御することができる。
なお、ダイオード直列回路LD1〜nには、ツェナーダイオードを用いることもできる。
他の構成及び作用効果は実施形態と同じなので、その説明は省略する。
11 回路基板
21 発熱回路
22 温度検出回路
24 電流設定手段
26 電源
27 温度設定手段
28 温度検出手段
H 結露防止用ヒーター
Rs 電流検出抵抗
Tr1 発熱用トランジスタ
Tr2 スイッチ手段
Claims (3)
- 筐体内に設置される発熱回路と温度検出回路とからなり、
発熱回路は、発熱用トランジスタと、電流検出抵抗と、電流設定手段を備え、
前記発熱用トランジスタは電流検出抵抗と直列に接続されて電源に接続され、そのトランジスタと接続された電流検出抵抗に流れる電流による電圧降下と、前記電流設定手段で設定された電圧との差で発熱用トランジスタが制御され、
一方、温度検出回路は、温度設定手段と、温度検出手段を備え、
前記温度設定手段で設定した出力と温度検出手段で検出した出力とを比較し、検出出力が設定温度を上回ると、前記発熱回路の電流設定手段の出力を禁止し、下回ると許可することを特徴とする結露防止用ヒーター。 - 上記電流設定手段の出力の禁止または許可を行う温度検出回路の出力がヒステリシスを有することを特徴とする請求項1に記載の結露防止用ヒーター。
- 上記発熱回路の発熱用トランジスタを装着した状態で筐体内に固定される放熱板と、回路基板とからなり、前記回路基板に、上記発熱回路と温度検出回路を搭載し、温度検出回路の温度検出手段と発熱用トランジスタとの間隔を保つようにしたことを特徴とする請求項1または2に記載の結露防止用ヒーター。
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